鄂北水資源配置工程2016年11標余店河倒虹吸工程施工導流設計

李旭航 王 偉 暴艷利 唐 昕

1 工程概況

湖北省鄂北水資源配置工程是從丹江口水庫清泉溝隧洞進口引水，線路全長269.67km，沿途穿越襄陽市的老河口市、襄州區(qū)、棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)，廣水市，終到孝感市的大悟縣。其中，余店河倒虹吸工程位于湖北省廣水市余店鎮(zhèn)，系鄂北調水干渠與余店河交叉需要而設置，設計流量7.4m3/s。起點樁號218+850，終點樁號219+220，上接張家灣明渠，下接朝陽村明渠，全長370m。余店河倒虹吸位于余店河和余家畈河交匯處上游約120m處，涉河段在余店河和余家畈河處的河道寬度分別為21m和25m。

2 導流標準及導流時段劃分

本工程主體建筑物為3級，按照SL303—2004《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》規(guī)定，導流工程按5級建筑物標準設計，土石圍堰的導流標準為5～10年一遇。不同導流時段的洪峰流量—水位關系見表1。由于余店河倒虹吸施工工期短，基坑過水損失小，且基本對下游不造成影響，因此，施工導流標準采用非汛期5年一遇洪水。同時，余店河倒虹吸施工工期為5個月，根據施工進度安排，施工時段選擇相對較枯的11月—翌年3月。余店河相應的洪水流量為32.0m3/s，水位100.79m；余家畈河相應的洪水流量為9.9m3/s，水位102.78m。

3 導流方案比選

余店河倒虹吸工程在樁號219+045處穿過余店河，在樁號219+120處穿過余家畈河，涉河段河床高程98.7～105.8m。河道兩岸具有條件較好的灘地，具備開挖明渠條件，因此，施工采取明渠導流。下面對兩種明渠導流方案進行比較。

方案1：倒虹吸工程涉河段在余店河河道右岸和余家畈河河道左岸具備同時開挖明渠的條件，因此，可開挖1#、2#兩條導流明渠對余店河和余家畈河分別進行導流，一次性完成倒虹吸工程涉河段的施工。在余店河和余家畈河交匯處下游布置下游圍堰。

方案2：導流時段水位余家畈河比余店河高出2m左右，因此，可在兩河交匯處上游側開挖導流明渠將兩河連通。先通過1#明渠將余家畈河來水導入余店河，再通過在余店河河道右岸開挖2#明渠將余店河與余家畈河來水導入下游，此方案同樣可以一次性完成倒虹吸工程涉河段的施工。

余家畈河在兩河交匯前河床向右岸彎曲，方案1在余家畈河左岸開挖的明渠較長，約220m，遠大于方案2將兩河連通的導流明渠長度。因此，從工程成本的角度方案2更優(yōu)。同時余店河與余家畈河之間為壤土地層，開挖明渠不需要采取額外的防滲措施，并且可以將開挖料用于圍堰填筑，以滿足土石方平衡要求。綜上所述，施工采取方案2的明渠導流方式。

4 導流建筑物設計

4.1 導流明渠設計

1#明渠布置于兩河交匯處上游側約160m處，明渠底高程99.50m，渠長102m。2#明渠布置于余店河右岸灘地，明渠底高程98.79m，渠長232m。

1#明渠所在地層為壤土，不需要采取防滲措施。2#明渠所在地層為砂礫石，考慮抗沖的同時還需要進行防滲處理，因此，在2#明渠渠底和邊坡現澆C20混凝土防護，厚度為10cm。混凝土護底和護坡隔8m設一道伸縮縫，縫寬2cm，縫內采用瀝青木板填縫。

明渠采用梯形斷面，1#明渠底寬3m，2#明渠底寬6m，渠道邊坡均為1∶2。

4.2 圍堰設計

根據所選導流方案的施工布置，1#和2#圍堰作為上游圍堰分別阻擋余店河和余家畈河的上游來水，3#圍堰位于兩河交匯處下游作為下游圍堰。首先根據設計流量，查明渠出口下游河床水位—流量關系曲線，得到明渠出口水位，采用能量方程自明渠出口向上游推水面線，求得明渠進口下游側明渠水深，以該水深作為堰后水深，采用寬頂堰公式計算上游水位，從而確定上游圍堰高程。

（1）明渠水面線的推求是基于河道恒定非均勻流法進行推算，河道恒定非均勻流計算公式的主要理論依據是伯努利能量守恒方程式。公式形式如下：

式中 Z上、Z下——上、下游斷面水位，m；

V上、V下——上、下游斷面流速，m/s；

Q——設計流量，m3/s；

ΔS——上、下游斷面間距，m；

a——動能修正系數；

ξ——局部阻力系數；

K上、K下——上下游斷面流量模數，通過公式計算，其中：A為過水斷面面積m2；R為過水斷面水力半徑，m；n為河床糙率。

根據余店河下游河床的水位—流量關系曲線，查得設計工況下2#明渠出口水位100.79m，利用式（1）從下游斷面向上游推算水位，從而推求得到2#明渠水面線，如圖1所示。

圖1 設計工況下2#明渠水面線

（2）推水面線求得明渠進口下游側明渠水深后，以該水深作為堰后水深，采用寬頂堰公式計算上游水位，寬頂堰公式如下：

式中 Q——下泄流量，m3/s；

m——流量系數；

σ——淹沒系數；

ε——側收縮系數；

B——過水寬度，m；

H0——計入行近流速的上游總水頭，m。通過寬頂堰公式計算得到2#明渠上游水位101.19m，以2#明渠上游水位作為1#明渠的下游水位重復上述步驟求得1#明渠上游水位101.24m。1#明渠內設計流速控制在0.8～0.9m/s，2#明渠內設計流速控制在1.8～2.1m/s，均滿足渠道設計流速要求。根據SL303—2004《水利水電施工組織設計規(guī)范》規(guī)定，考慮波浪爬高和堰頂安全超高，其中堰頂超高取δ=0.5m，1#圍堰堰頂高程101.70m，2#圍堰堰頂高程101.80m，3#圍堰堰頂高程101.30m。

施工圍堰采用均質土圍堰型式，利用開挖料填筑，最大堰高約2.5m。1#與3#圍堰基礎為砂礫石，基礎用黏土換填截滲溝防滲，堰體無需防滲，圍堰頂寬3m，兩側邊坡1∶2.5；2#圍堰基礎為壤土，基礎與堰體均無需防滲，圍堰頂寬3m，兩側邊坡1∶2.5。截滲溝應開挖至基巖，黏土不應含有植物根莖、磚塊等雜質，有機質含量不大于2%，易溶鹽含量不超過3%，黏粒含量15%～30%，塑性指數10～20，滲透系數不大于10-5cm/s。圍堰堰體均質土滲透系數不大于10-4cm/s，水下部分采用拋填施工，水下部分壓實度不得低于0.94。

5 結語

在對導流方案進行比選的基礎上，提出合理的施工導流設計，充分結合現場地形、地質條件，既能滿足現場防洪安全要求，又降低了工程成本。合理的施工導流措施可以為工程的順利實施創(chuàng)造了良好的條件。施工導流雖然是一項臨時工程，但卻是水利工程建設過程中必不可少的環(huán)節(jié)，在編制施工組織設計時一定要高度重視施工導流工作，編制的施工導流方法應合理、節(jié)約、可操作性強，從而為主體工程的實施創(chuàng)造良好條件。